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文|史这样滴
编辑|史这样滴
前言天线是现代通信系统的重要组成部分，是电子设备和电磁频谱之间的桥梁，他们的发明彻底改变了远距离传输和接收信息的方式，天线的演变与人类对远距离通信的追求深深交织在一起，早期文明使用基本的信号形式，如烟雾信号和可视旗帜，来远距离传递信息。
19世纪电的出现和电磁波的发现为更复杂的无线通信形式提供了基础，19世纪60年代，通过詹姆斯·克拉克·麦克斯韦方程对电磁波的科学理解为天线的发明奠定了基础，这些方程描述了电场和磁场在空间传播时的行为。
那么它的发明原理是什么？
发明原理人们认识到变化的电流可以产生电磁波，这为开发能够发射和接收电磁波的天线奠定了基础，古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)在19世纪末的开创性工作标志着天线发明的一个重要里程碑。
马可尼的无线电报实验导致了单极天线的发展，单极天线是一种连接地面的垂直导线，这种天线展示了长距离无线通信的可行性，推动了无线电技术的发展，海因里希·赫兹发明的偶极天线扩大了无线通信的可能性，偶极子由两个沿同一轴线排列的线段组成。
偶极子中的交流电产生一个向外辐射的电磁场，辐射模式的概念出现了，说明了天线如何在不同的方向发射和接收能量，这种理解为定向和全向天线奠定了基础，日本工程师Hidetsugu Yagi和Shintaro Uda在20世纪20年代发明的八木-Uda天线彻底改变了定向天线。
这种设计采用一个驱动元件和一系列寄生元件来实现定向增益，八木天线将能量集中在特定方向的能力为长距离通信铺平了道路，包括地面和卫星广播，抛物面反射器天线的发明标志着卫星通信的重大进步。
抛物面天线利用曲面反射器将能量集中到一个点上，从而能够与地球静止轨道上的卫星进行精确通信，这项技术对于电信、天气预报和全球定位系统等应用至关重要，相控阵天线代表了天线技术的一种范式转变。
这些天线由多个辐射元件组成，可以通过电子控制来控制发射或接收信号的方向，相控阵允许快速扫描、精确波束形成和自适应通信，彻底改变了雷达、无线网络和空间探索等领域，超材料开启了天线设计的新领域。
这些工程材料表现出天然材料中没有的特性，能够创造出具有非常规形状和功能的天线，超材料天线引领了隐身技术、超宽带通信和小型化设备的创新，天线支撑了无线通信的爆炸式增长，涵盖了无线电、电视、蜂窝网络、Wi-Fi等等。
它们实现全球连接，促进紧急通信，并支持用于天气预报、导航和科学研究的遥感，在日益互联的世界中，天线仍然是现代通信系统的支柱，随着通信需求的不断升级，天线面临着与频谱拥塞、效率和小型化相关的挑战。
应用场景在我们的现代世界中，天线是无处不在的元素，无声地促进了信息的远距离流动，从无线电波到微波，天线在电子设备和电磁波谱之间架起了一座桥梁，研究人员正在探索新材料、先进设计和智能天线系统来应对这些挑战。
大规模MIMO(多输入多输出)天线、波束形成阵列和自适应系统将重新定义5G及以后时代的无线通信，无线通信，可以说是天线最突出的应用，增强了全球连通性，无线电和电视广播依靠大型天线长距离传输信号，蜂窝网络利用基站天线为移动设备提供无缝覆盖。
Wi-Fi天线支持高速互联网接入，支持智能设备和物联网(IoT)的普及，卫星通信非常依赖天线进行可靠的数据传输，地面站天线与绕地球轨道运行的卫星建立通信链路，实现广泛的应用，包括天气预报、电视广播和GPS等导航系统。
卫星上的天线有助于数据中继和遥感，使我们能够监测地球表面、大气和海洋，雷达系统采用天线来发射和接收无线电波，从而能够精确探测物体及其特征，气象雷达监测大气状况，探测降雨、风暴和龙卷风，空中交通管制雷达通过跟踪飞机位置来确保飞行安全。
配备合成孔径雷达(SAR)天线的遥感卫星可以捕捉高分辨率图像，用于环境监测、灾害响应和城市规划，像全球定位系统(GPS)这样的导航系统依靠天线来确定精确的位置并提供精确的定时信息。
GPS卫星向地球发射信号，这些信号由智能手机和导航系统等设备中的GPS天线接收，这些天线计算信号传播所需的时间，从而实现精确的位置三角测量，天线应用于医学成像和诊断领域，磁共振成像(MRI)机器采用射频线圈作为天线来创建内部结构的详细图像。
微波天线被用于癌症治疗的微波消融过程中，其中它们向目标组织传递受控的热量，无线电力传输是天线的新兴应用，无需物理连接器即可传输能量，谐振电感耦合技术使用线圈作为天线在设备之间传输功率。
这一概念可应用于电子设备、电动汽车甚至植入式医疗设备的充电，天线在现代汽车系统中起着至关重要的作用，从GPS导航到卫星广播，天线增强了驾驶体验和安全性，车对车(V2V)和车对基础设施(V2I)通信依赖天线来共享实时交通信息和实现自动驾驶功能。
物联网设备的激增扩大了对紧凑高效天线的需求，这些天线使设备能够进行无线通信、收集数据并相互交互，物联网应用横跨多个行业，从智能家居自动化到工业监控和农业管理，太空探索是通过与宇宙飞船、漫游车和卫星通信的天线实现的。
像那些被派去研究遥远行星的深空探测器，依靠高增益天线将数据传回地球，国际空间站(ISS)上的天线促进了与任务控制的通信，并使科学研究成为可能，随着技术的发展，天线面临着与频谱拥塞、效率和干扰相关的挑战。
研究人员正在探索先进的材料、超材料和新颖的设计来解决这些问题，波束形成技术、相控阵天线和自适应系统已准备好提高通信效率和可靠性，天线是实现无缝无线通信、促进导航和支持遥感的无名英雄。
它们的多功能应用触及到我们生活的方方面面，从我们交流的方式到我们探索太空的方式，随着技术的不断发展，天线仍将是电子设备和电磁频谱之间的重要桥梁，塑造着未来互联的世界。
发明历史天线的历史是一段迷人的旅程，伴随着人类对远距离连接的不懈追求，从早期的实验火花到今天驱动全球通信网络的复杂设计，天线在塑造我们无线传输和接收信息的方式方面发挥了重要作用。
天线的起源可以追溯到18世纪和19世纪对电和磁的早期实验，像迈克尔·法拉第和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦这样的先驱为电场和磁场之间的相互作用奠定了理论基础，为电磁波的诞生奠定了基础，这些基础发现为无线通信的后续发展铺平了道路。
19世纪末，海因里希·赫兹进行了实验，证明了电磁波的存在，他称之为“赫兹波”，赫兹的工作验证了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁理论，并表明这些波可以由快速振荡的电荷产生，这一突破标志着无线通信发展的关键时刻。
古列尔莫·马可尼的开拓性努力极大地推动了电磁波在通信中的实际应用，在19世纪末和20世纪初，马可尼开发了火花隙发射器，发射电磁波，然后由简单的天线接收，这些天线通常由垂直电线或悬挂的导电元件组成，能够远距离发送和接收莫尔斯电码信息。
随着无线电报技术的发展，天线设计也在不断发展，以优化信号传播，单极天线是一种附着在地面上的垂直导线，是电磁波的有效辐射器，它的简单和有效使它成为早期无线电通讯的主要部分，偶极天线由沿同一轴线排列的两个元件组成，进一步改善了辐射模式和信号接收。
20世纪初抛物面反射器天线的发明标志着天线技术的重大飞跃，这些弯曲的反射器将电磁波聚焦到一个中心点上，使得第二次世界大战期间的雷达系统得以发展，雷达技术利用抛物面天线来探测和定位物体、飞机和船只，彻底改变了导航、监视和军事应用。
二战后的时代见证了电视广播的发展，推动了天线设计的创新，八木宇田天线凭借其方向性增益，在电视接收中发挥了至关重要的作用，同时，太空竞赛促进了卫星通信天线的发展，抛物面天线成为卫星地面站的重要组成部分，促进了全球通信和电视广播。
20世纪后半叶出现了微带天线，这是一种平面天线，彻底改变了小型化领域，这些天线制造在印刷电路板上，使它们紧凑、轻便，适合集成到各种设备中，微带天线应用于移动电话、无线网络和卫星通信。
结语20世纪中期推出的相控阵天线开创了方向控制和适应性的新时代，这些阵列由多个辐射元件组成，可以通过电子控制来控制信号的方向。
天线的历史体现了人类的好奇心和创新精神，从早期的实验火花到现代的复杂设计，天线塑造了我们通信、导航和探索的方式。
参考文献
【1】《机械原理与机械零件》 屈国华、康介铎、黄文灿、何元庚 高等教育出版 2011年
【2】《机械零部件设计》 张金美 机械工业出版社 2019年6月
【3】《机械零件常识》黄文 机械工业出版社 2019年4月
